高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷，其化学式为Sr0.9(Na0.5‑xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，其中x＝0.12～0.32wt.％。先将原料Na2CO3、K2CO3、SrCO3、TiO2,和Bi2O3按其化学计量比配料，球磨4h，再经烘干、过筛，于850℃合成；再进行二次球磨，烘干，过筛，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液造粒，压力成型为坯件；坯件排胶后于1100℃烧结，再将压电陶瓷上下表面涂覆银浆进行银层烧渗，于170℃的硅油中，在电场强度10KV/mm下极化5～10min，制得高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷。本发明专利技术克服了制备工艺中需要掺杂其它元素、大量取代而获得高压电性能的缺点，同时该体系降低了陶瓷的矫顽场和极化不充分导致的低压电性能，完善了制备工艺，提高了压电性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于以成分为特征的陶瓷组合物，特别涉及一种高居里温度无铅SrBi4Ti4O15-(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15-(K0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15压电陶瓷及其制备方法
技术介绍
压电陶瓷是一类世界各国竞相研究开发的、能够实现机械能和电能之间相互转换的功能材料。广泛应用于材料工程、声光电以及人类日常生活和生产的各个领域。虽然自钛酸钡基压电陶瓷发现以来，压电陶瓷便迅速商业化，应用在留声机的拾音器上。但是，人们对压电材料的探索和压电效应原理的研究方兴未艾。目前传统的压电陶瓷、铁电陶瓷，基本上全是含铅陶瓷，这些陶瓷中氧化铅(或四氧化三铅)约占原料总重量的70％左右。大量的铅在陶瓷器件的制备、使用及废弃后处理过程中给环境和人类带来巨大危害。含铅压电陶瓷是目前应用最为广泛的压电陶瓷，但是随着现在环保意识和要求的提升，无铅压电陶瓷受到更大的重视和更多的研究。而且随着电子元器件的应用领域越来越广，其使用环境也越来越严酷，使用温度也越来越高。铋层状结构的材料是一类极具潜力的高居里温度无铅压电材料。当前对铋层状结构无铅压电陶瓷的研究主要集中在如下几类(1)MBi4TiO15基无铅压电陶瓷；(2)Bi4Ti3O12基无铅压电陶瓷(BIT)；(3)MBi2N2O9基无铅压电陶瓷(M＝Sr，Ca，Ba，Na0.5Bi0.5，K0.5Bi0.5，N＝Nb，Ta)；(4)Bi3TiNO9基无铅压电陶瓷(N＝Nb，Ta)；(5)复合铋层状结构无铅压电陶瓷。四层系是目前研究热点之一，因为其具有较高的压电常数或较高的居里温度，且更容易合成烧结，当前研究较多的四层铋层状无铅压电陶瓷主要集中在SrBi4Ti4O15、CaBi4Ti4O15、Na0.5Bi4.5Ti4O15、BaBi4Ti4O15。纯MBi4Ti4O15陶瓷有以下缺点：一是压电活性低，与PZT含铅系列陶瓷相比，还有很大的差距。原因为晶体结构对称性很低，决定其自发极化转向受二维限制，难以获得足够大的剩余极化强度；二是矫顽电场强度高，电阻率低，不利于极化；三是致密度较差，主要是因为高温烧结过程中氧化铋的挥发及特殊的铋层状晶体结构所导致。另外，氧化铋的挥发影响陶瓷化学计量比，进而导致材料中产生大量氧空位，影响材料的漏电流和抗疲劳等铁电压电性能，这也是研制配方中铋经常要过量的原因。这些缺点成为高性能MBi4Ti4O15陶瓷器件发展的瓶颈，为了实现MBi4Ti4O15陶瓷的实用化，需要研究如何在维持较高居里温度的条件下通过提高剩余极化强度Pr、降低矫顽电场、提高致密度来提高其铁电压电活性。因此在研究四层铋层状无铅压电陶瓷时要多方面同时考虑，采用多种方法来提高其压电性能。铋层状压电陶瓷具有高居里温度、低介电常数、低损耗和较低的频率温度系数等优点，能够应用在高温、高频领域。Na0.5Bi4.5Ti4O15、K0.5Bi4.5Ti4O15和SrBi4Ti4O15是三种性能比较优异的铋层状结构材料，然而，到目前为止，尚无有关三者大比例掺杂取代的研究报道。
技术实现思路
本专利技术的目的，是解决MBi4Ti4O15体系无铅压电陶瓷较高的矫顽场和d33较低的弊端，获得具备高居里温度和相对较高压电性能的无铅SNKBT压电陶瓷。本专利技术通过如下技术方案予以实现。一种高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷，其化学式为Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，其中x＝0.12～0.32wt.％；该高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料Na2CO3、K2CO3、SrCO3、TiO2,和Bi2O3按Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，x＝0.12～0.32wt.％的化学计量比，称取粉料并放入球磨罐中，球磨时间为4h，再将研磨后的物料于120℃烘干，研磨后过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于850℃合成，保温1.5h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中进行二次球磨粉碎，球磨时间为6h，再将球磨后的物料于90℃烘干，研磨后过40目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压力成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)成型后的坯件放入加热炉中，升温至650℃，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件体放入Al2O3坩埚内，用垫料埋烧，于1100℃烧结，保温3h，随炉自然冷却至室温，制得高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷片；(7)将步骤(6)烧结后的无铅SNKBT压电陶瓷片采用丝网印刷的方法，在其上下表面均匀的涂覆一层银浆，烘干后进行银层的烧渗；(8)将步骤(7)银层烧渗后的无铅SNKBT压电陶瓷置于170℃的硅油中，在电场强度为10KV/mm下极化5～10min，极化后不要立刻撤去电场，等硅油自然冷却到室温后再撤去电场，保压降温，制得性能更加良好的高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷；所述步骤(1)、步骤(3)的球磨介质为去离子水和玛瑙球，球：料：水的重量比为4：2：1，球磨机转速为750转/分。所述步骤(4)的坯体为直径12mm，厚度0.8～1mm的圆片型，于300MPa的压强下压制成型。所述压电陶瓷Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，其中x＝0.24wt.％；本专利技术制备出的高性能的SrBi4Ti4O15-(Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15-(K0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15无铅压电陶瓷，克服了制备工艺中需要掺杂其它元素，例如Ce、Li、Mn等来大量取代而获得高压电性能陶瓷的缺点，同时该体系降低了陶瓷的矫顽场和极化不充分导致的低压电性能，很大程度上完善了制备工艺，提高了压电性能。具体实施方式本专利技术采用的原料TiO2,Bi2O3,Na2CO3,K2CO3,和SrCO3均为市售的化学纯原料(纯度≥99％)，采用传统方法即氧化物混合方法进行常压烧结，并通过极化方式的调整来制备具有较好综合性能的无铅压电陶瓷材料。本专利技术采用的原料Na2CO3,K2CO3,SrCO3,TiO2,和Bi2O3，均为市售的化学纯原料(纯度≥99％)。本专利技术的制备方法如下：(1)配料将原料Na2CO3、K2CO3、SrCO3、TiO2,和Bi2O3按Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，化学计量比，通过电子天平进行称量，将称量好的粉料放入球磨罐中，球磨介质为去离子水和玛瑙球球，球：料：水的重量比为4：2：1；球磨4h，转速为750转/分，再将研磨后的物料放入烘箱内于120℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在合成炉中于850℃合成，保温1.5h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料研磨，放入球磨罐中进行二次球磨粉碎，球磨时间6h，转速为750转/分，再将球磨后的物料放入烘箱内于90℃烘干，然后放入研钵内研磨，过40目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇(PVA)水溶液进行造粒，在300MPa的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷，其化学式为Sr0.9(Na0.5‑xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，其中x＝0.12～0.32wt.％。该高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料Na2CO3、K2CO3、SrCO3、TiO2,和Bi2O3按Sr0.9(Na0.5‑xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，x＝0.12～0.32wt.％的化学计量比，称取粉料并放入球磨罐中，球磨时间为4h，再将研磨后的物料于120℃烘干，研磨后过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于850℃合成，保温1.5h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中进行二次球磨粉碎，球磨时间为6h，再将球磨后的物料于90℃烘干，研磨后过40目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压力成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)成型后的坯件放入加热炉中，升温至650℃，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件体放入Al2O3坩埚内，用垫料埋烧，于1100℃烧结，保温3h，随炉自然冷却至室温，制得高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷片；(7)将步骤(6)烧结后的无铅SNKBT压电陶瓷片采用丝网印刷的方法，在其上下表面均匀的涂覆一层银浆，烘干后进行银层的烧渗；(8)将步骤(7)银层烧渗后的无铅SNKBT压电陶瓷置于170℃的硅油中，在电场强度为10KV/mm下极化5～10min，极化后不要立刻撤去电场，等硅油自然冷却到室温后再撤去电场，保压降温，制得性能更加良好的高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷；...

【技术特征摘要】
1.一种高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷，其化学式为Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，其中x＝0.12～0.32wt.％。该高居里温度无铅SNKBT压电陶瓷的制备方法，具有如下步骤：(1)配料将原料Na2CO3、K2CO3、SrCO3、TiO2,和Bi2O3按Sr0.9(Na0.5-xKxBi0.5)0.1Bi4Ti4O15，x＝0.12～0.32wt.％的化学计量比，称取粉料并放入球磨罐中，球磨时间为4h，再将研磨后的物料于120℃烘干，研磨后过40目筛；(2)合成将步骤(1)中过筛后的粉料，放入坩埚内，压实，加盖，密封，在于850℃合成，保温1.5h，自然冷却到室温，出炉；(3)二次球磨将步骤(2)的合成料放入球磨罐中进行二次球磨粉碎，球磨时间为6h，再将球磨后的物料于90℃烘干，研磨后过40目筛；(4)压片将步骤(3)过筛后的粉料，外加质量百分比为7wt.％的聚乙烯醇水溶液进行造粒，压力成型为坯件；(5)排胶将步骤(4)成型后的坯件放入加热炉中，升温至650℃，进行有机物排除；(6)烧结将步骤(5)排胶后的坯件体放入Al2O3坩埚内，用垫...

【专利技术属性】
技术研发人员：马卫兵，李娜，臧向荣，王燕云，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12